CN114830438A - 用于均匀加热的虹膜加热器结构 - Google Patents

用于均匀加热的虹膜加热器结构 Download PDF

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Abstract

一种天线具有射频(RF)天线元件和两个基板。加热器结构连接到两个基板中的至少一个以对RF天线元件进行加热。在一个实施例中，天线包括：物理天线孔，具有形成有贴片和虹膜基板的射频(RF)天线元件的阵列，虹膜基板具有包括虹膜金属层的多个层；以及加热器结构，耦合到虹膜基板的多个层中的一个或多个以对RF天线元件进行加热。

Description

用于均匀加热的虹膜加热器结构
相关申请的交叉引用
本申请要求于2019年12月17日提交的、申请号为62/949，361以及2020年12月14日提交的、申请号为17/121，452的美国临时申请的优先权的权益，这两项临时申请通过引用并入本文。
技术领域
本公开的技术领域涉及无线通信；更具体地，本公开涉及包括用于对天线内部进行加热的加热结构的天线。
背景技术
某些天线技术需要对天线进行加热以使天线达到操作温度。例如，某些使用液晶的天线必须将液晶加热到特定温度，以使液晶按需要操作。
在与液晶显示器(LCD)相关的现有技术中，电阻式加热元件用于使LC保持在特定温度以上以便正常操作，例如在环境温度可能达到-30摄氏度到-40摄氏度的车用显示应用中。这些加热元件由透明导体制成，例如由与主LCD基板分开的玻璃基板上的氧化铟锡(ITO)制成。随后该基板与主LCD基板接合以提供导热性。由于加热元件对于光学频率是透明的，因此即使加热元件位于信号路径中，直接为LCD提供加热器也是可行的。
然而，对于基于LC的天线来说，这种方法是不可行的。由于ITO及类似材料在RF频率下不透明，因此将这些类型的加热元件布置在RF信号路径中会使RF信号衰减并使天线的性能降低。
因此，基于LC的天线的现有技术实施例使用附接到具有良好热特性的金属馈电结构或其他大部分机械结构的电阻式加热元件来对天线内部LC层所在的部分进行加热。然而，由于电阻式加热元件与LC层实际上被天线叠层中的包括热绝缘层的多个层分开，因此与LCD实施方案相比，为了对液晶进行加热，明显必须施加更多的热功率。
基于LC的天线加热器的其他实施方案试图从天线孔的边缘对LC层进行加热。这些实施例需要400-500W的功率并且在该功率下需要30-40分钟以使LC层达到操作温度。这是对热力资源的低效使用。
发明内容
天线具有射频(RF)天线元件和两个基板(例如，虹膜基板和贴片基板)以及连接到两个基板中的至少一个、用于对RF天线元件进行加热的加热器结构。在一个实施例中，天线包括：物理天线孔，该物理天线孔具有形成有贴片和虹膜基板的射频(RF)天线元件的阵列，虹膜基板具有包括虹膜金属层的多个层；以及加热器结构，耦合到虹膜基板的多个层中的一个或多个以对RF天线元件进行加热。根据以下结合附图的详细描述，实施例的其他方面和优点将变得显而易见，这些附图以示例的方式示出所描述的实施例的原理。
附图说明
所描述的实施例及其优点可以通过参考以下结合附图进行的描述得到最好的理解。在不脱离所描述实施例的精神和范围的情况下，这些附图绝不限制本领域技术人员可以对所描述实施例进行的形式和细节上的任何改变。
图1A示出用于对天线孔中的RF天线元件进行加热的加热元件的示例，其中加热线具有相等的线长并遵循RF元件之间的栅极布线(gate routing)和加热器布线。
图1B示出天线孔上的加热线的实施例，天线孔具有长度不相等的加热线并且加热线的横截面彼此不相等。
图2A至图2C示出具有虹膜层和贴片层的天线孔的示例横截面或侧视图。
图3A示出集成在加热器线等长的天线孔上的加热器电源总线布置示例。
图3B示出集成在加热器线不等长的天线孔上的加热器电源总线布置示例。
图4A示出用于将加热器总线连接到加热器电源的加热器总线连接方案。
图4B是连接到孔内加热器线并且在密封件下方延伸并伸出到虹膜悬垂(overhang)部上的接合焊盘结构的加热器总线的一般横截面。
图5示出加热器电源总线在边界密封件内侧从虹膜层电跨越到贴片层的一个实施例。
图6示出加热器总线在边界密封件结构内侧从虹膜层电跨越到贴片层的一个实施例。
图7A至图7C是不同温度下典型的TFT电压与电流曲线。
图8A是确定使用TFT(或其他类型的晶体管)的LC的温度估计量的过程的一个实施例的流程图。
图8B示出温度测量电路的示例。
图8C是确定使用以不同于图8A的方式配置的TFT(或其他类型的晶体管)的LC的温度估计量的过程的一个实施例的流程图。
图8D示出使用图8C的步骤的TFT的温度监控电路的另一个示例。
图9示出确定LC电容以便确定RF天线元件中LC的温度的电路。
图10示出具有一个或多个天线元件阵列的孔，这些天线元件阵列布置在围绕圆柱形馈电天线的输入馈电周围的同心环中。
图11示出包括接地平面和可重构谐振器层的一排天线元件的立体图。
图12示出可调谐谐振器/槽1210的一个实施例。
图13示出物理天线孔的一个实施例的横截面图。
图14A示出位置与槽相对应的第一虹膜板层的一部分。
图14B示出包含槽的第二虹膜板层的一部分。
图14C示出第二虹膜板层的一部分上的贴片。
图14D示出含槽阵列(slotted array)的一部分的俯视图。
图15示出圆柱形馈电天线结构的一个实施例的侧视图。
图16示出具有出射波的天线系统的另一个实施例。
图17示出矩阵驱动电路相对于天线元件的位置的一个实施例。
图18示出TFT封装的一个实施例。
图19是在电视系统中同时执行双接收的通信系统的一个实施例的框图。
图20是具有同时发送和接收路径的通信系统的另一个实施例的框图。
图21A和图21B示出附接有加热器图案的覆板的示例。
图22示出超材料天线的加热器的实施例中的虹膜金属层和加热器总线金属。
图23示出靠近RF天线元件的加热器走线的横截面。
图24示出具有单个总线平面(虹膜金属)的均匀虹膜加热器。
图25A和图25B分别示出虹膜金属下方(左)和虹膜金属上方(右)的加热器走线。
图26示出间隔件/加热器结构的横截面图。
图27示出加热器束和加热器总线段。
图28示出分段加热器总线设计的电阻式模型。
具体实施方式
在以下描述中，阐述了许多细节以提供对本天线的实施例的更彻底的解释。然而，对于本领域的技术人员来说显而易见的是，可以用这些具体细节的变型，或者甚至不用这些具体细节来实践各个实施例。在其他情况下，众所周知的结构和装置以框图形式而不是详细地示出，以避免使本发明模糊。
天线的实施例包括用于将加热器(例如，加热元件)布置在基于LC的射频(RF)天线孔的内部的技术。在一个实施例中，加热器和/或加热器结构布置在天线孔内靠近RF元件并且更靠近作为RF天线元件的一部分的液晶(LC)。与使用用于提高孔内温度的更多间接加热方法(例如，馈电结构背面的电阻式加热元件)的技术相比，这允许对孔进行更直接的加热，减少对加热功率的要求，并且缩短了升温时间。
在一个实施例中，基于LC的射频(RF)天线孔包括一对基板(例如，玻璃层)，这对基板包含RF天线元件(例如，表面散射超材料的天线元件)的贴片和虹膜，并且加热器结构被集成到一个或两个基板的金属层中。在一个实施例中，这是以加热器实施方案不干扰孔的RF特性的方式完成的。在一个实施例中，加热元件(例如，加热器走线)位于天线孔内的、减少并可能消除RF干扰同时在孔内提供更直接的加热的位置处。在一个实施例中，这是通过将加热元件布置在RF元件之间、几乎与RF元件相同的平面上来实现的。在一个实施例中，加热元件的位置在与虹膜层的虹膜元件相同的平面中，该虹膜元件为贴片/虹膜槽阵列天线的一部分。通过将孔内的加热器接线移动到与虹膜金属几乎相同的平面上，加热线与RF信号的相互作用会减少，而且可能会最小化。
本文公开的技术还包括用于检测天线孔内的温度的方法。在一个实施例中，从直接在晶体管底板上的晶体管检测温度。在一个实施例中，晶体管底板是薄膜晶体管(TFT)底板。在一个实施例中，如果晶体管底板上的晶体管与LC或其他材料接触，则检测晶体管的温度就提供LC/材料的温度指示。
本文描述的技术降低了加热器系统的成本，需要更少的功率，减少了孔温度的上升时间，并缩小了用于控制天线的控制器板的占用空间。更具体地，在一个实施例中，本文描述的技术需要75-100瓦的功率并且将在20分钟内使LC层温度达到操作温度。
此外，通常在基本上从包括贴片和虹膜玻璃层以及LC层的玻璃组件中移除的断开式印刷电路板(PCB)上感测温度。在玻璃上的温度感测提供了对热管理反馈回路更严格的控制。
加热器实施例概述
在一个实施例中，加热器结构由几个部分组成：加热元件、为加热元件供电的加热器电源总线以及将加热器电源总线连接到位于孔外部和/或内部的加热器电源的连接方案。在一个实施例中，加热元件是电线。在一个实施例中，加热器电源总线的电阻非常低。
根据实施方案，在制造孔的过程中，加热器接线、加热器总线和加热器连接件的实现可能需要另外沉积导体层、钝化层、通孔开口(via opening)等。这些附加层可以用于构建加热器结构，将加热器结构与其他结构电隔离或化学隔离，并用于根据需要向现有孔结构提供加热器的接口。
加热线
对孔均匀地进行加热是可取的。本文描述了可以实现该目的的加热线的两种配置。
在一个实施例中，加热线长度相等，并且这些加热线的横截面在加热线的长度上逐条加热线尺寸相同(或相似)。总的来说，这在孔上的每单位面积提供相同的功耗。在一个实施例中，加热线均匀地分布在孔质量区域上，其中加热线铺设在虹膜之间，不穿过或接触贴片或虹膜。在一个实施例中，加热线在孔区域上彼此相距的距离几乎相同(相同的节距)。
图1A示出用于对天线孔中的RF天线元件进行加热的加热元件的示例，其中加热线具有相等的线长并遵循RF元件之间的栅极布线和加热器布线。在一个实施例中，栅极布线是用于控制开启和关闭基于液晶的RF天线元件的栅极的布线，这将在下面进行更详细地描述。
参照图1A，天线孔段100示出RF天线元件的天线阵列的四分之一。在一个实施例中，四个天线孔段耦合在一起以形成完整的阵列。注意，可以使用其他数量的段来构建完整的天线阵列。例如，在一个实施例中，这些段被成形为使得耦合在一起的三个段形成RF天线元件的圆形阵列。有关天线段及其耦合在一起的方式的更多信息，请参见2016年3月3日提交的、名称为“ANTENNA ELEMENT PLACEMENT FOR A CYLINDRICAL FEED ANTENNA(圆柱形馈电天线的天线元件布置)”、专利公开号为US2016/0261042的美国申请，并参见2016年3月3日提交的、名称为“APERTURE SEGMENTATION OF A CYLINDRICAL FEED ANTENNA(圆柱形馈电天线的孔分段)”的专利公开号为US2016/0261043的美国申请。注意，本文描述的技术不限于通过天线孔段进行操作，并且可以用于包含RF天线元件的整个阵列的单个孔。
天线孔段100上示出了加热线(元件)101。在一个实施例中，加热线101的长度相等。在一个实施例中，加热线101位于天线阵列中的RF天线元件(未示出)之间。在一个实施例中，加热线101与用于控制栅极开启和关闭阵列中的各个RF天线元件的栅极线平行。在一个实施例中，加热线101在RF元件之间且与RF元件的距离相等。
在一个实施例中，加热线101彼此等距。换言之，加热线对之间的间隔是相等的。注意，尽管这可以有助于为天线孔提供更均匀的加热，但这不是必需的。在一个实施例中，当天线阵列中的天线元件位于环中时，加热线101中的各个加热线在RF天线元件的两个连续环之间且与两个连续环的距离相等。在可选实施例中，加热线对之间的间隔不相等。
应当注意的是，图1A中描述的加热器接线指示接线的相对位置和布线，但不代表接线的尺寸或线的数量。例如，在一个实施例中，可以移除所有其他的线，剩余的线提供必要的加热，其中在区域上均匀地加热。关于加热线的尺寸，它们的尺寸基于加热线本身的材料特性和线将提供的热量。
在一个实施例中，以下列方式选择加热线101的加热线横截面(高度和宽度)。首先，针对给定的期望的加热器电源电压通过加热线的数量和长度，将加热孔区域所需的功率转换为加热线的电阻。进而，使用该电阻值与加热线材料的特性来确定所需的加热线横截面。注意，可以使用其他考虑因素来选择加热线横截面，包括但不限于生产量。
在另一个实施例中，加热线的长度不相等，并且它们的横截面也不相等。在一个实施例中，长度不相等的加热线在RF元件之间的同心圆弧上。在一个实施例中，加热器线的宽度相等，并且线的高度从段的中心径向调整，以在孔区域上的每单位面积提供均匀的功率。
图1B示出天线孔上的加热线的实施例，天线孔具有长度不相等的加热线并且加热线的横截面彼此不相等。参照图1B，天线孔段110上示出加热线111，天线孔段110与图1A中描述的孔段类型相同。在一个实施例中，多个天线孔耦合在一起以形成完整的天线阵列。如图1A所示，在一个实施例中，加热线在RF元件之间布线。在一个实施例中，该布线遵循控制天线元件的栅极的栅极布线。
在一个实施例中，目标仍然是每单位面积提供几乎均匀的功耗。在这种情况下，尽管加热线的长度不相等，然而，为了控制电流和电阻以提供单位面积相同的功耗，在孔区域上使加热线横截面的高度不同。
应当注意的是，图1B中描述的加热器接线指示接线的相对位置和布线，但不代表接线的尺寸或线的数量。关于加热线的尺寸，它们的尺寸基于加热线本身的材料特性和线将提供的热量。
在一个实施例中，加热线位于虹膜特征之间并且不穿过或接触天线元件的可调谐含槽阵列中的贴片或虹膜特征，该天线元件具有贴片/槽对。在图2中提供的说明示例中，加热线位于虹膜/贴片元件环之间的环中，还有另外的加热线内环和外环。在一个实施例中，加热接线的环在孔区域上以相同的径向节距位于同心环上。在一个实施例中，加热器接线径向节距与RF元件的径向节距相同。在可选实施例中，加热器接线径向节距与RF元件的径向节距不同。
在一个实施例中，加热器线几乎等距离地位于RF元件之间。
图2示出具有虹膜层和贴片层的天线孔的示例横截面或侧视图。参照图2，贴片玻璃层201和虹膜玻璃层202相对于彼此分开并且分别包括用于形成可调谐含槽阵列的贴片槽和虹膜槽。这种阵列是众所周知的并且也在下面更详细地进行了描述。在一个实施例中，贴片玻璃层201和虹膜玻璃层202是玻璃基板。注意，贴片层和虹膜层在下文中可以分别称为贴片玻璃层和虹膜玻璃层。然而，应当理解，出于本文的目的，当基板不是玻璃时，包括“贴片玻璃层”和“虹膜玻璃层”的实施例可以分别利用“贴片基板层”和“虹膜基板层”(或贴片基板和虹膜基板)来实施。
作为贴片金属层的部分的贴片金属211制造在贴片玻璃层201上。钝化贴片层231制造在贴片金属211和贴片金属层上。液晶(LC)取向层(alignment layer)213制造在钝化贴片层231的顶部。虹膜金属212的部分、虹膜金属层的部分制造在虹膜玻璃层202上。钝化层232制造在虹膜金属212上，钝化层232在本文中也可以称为虹膜钝化层1或钝化虹膜层。加热器线240，也可以变为加热线，制造在钝化层232的顶部。在一个实施例中，加热器线240几乎等距离地位于一对虹膜元件之间。其他加热线也以这种方式位于虹膜元件之间。另一钝化层233，在本文中也可以称为虹膜钝化层2或另一钝化虹膜层，制造在钝化层232和加热器线240上。LC取向层213制造在钝化层233的顶部。
注意，LC取向层213用于对准LC 260，以便它以本领域公知的方式指向单一方向。
加热器电源总线
提供电源总线是为了向加热线供电。关于这些的示例在下图中进行了说明。在一个实施例中，与加热器线相比，电源总线的电阻低几个数量级，因此从总线的一端到另一端有较小的电压降，因此在加热线的每个总线端，所有加热线都可以具有相同的电压。这使得管理加热线网络的功率分配变得更加简单。
在一个实施例中，加热器总线布置在孔内以便加热线能够在加热线的每一端连接到适当的电源电压。
在一个实施例中，加热器总线是布置在孔中的单独结构，这仅仅是为了向加热器线网络供电。
在另一个实施例中，孔中的现有结构也可以用作加热器总线。在一个实施例中，加热器总线(或总线)固定在孔的密封结构中。在另一种情况下，虹膜金属(例如，铜)平面可以用作加热器总线以为加热线吸收或获取电流。
图3A示出集成在加热线等长的天线孔上的加热器电源总线布置示例。参照图3A，天线孔段300，代表耦合在一起以形成完整的天线阵列的天线段中的一个，包括加热器总线301和302，加热器总线301和302在本文中也可以称为加热器电源总线。加热器总线301和302电连接到加热线303并向其供电。
图3B示出集成在加热器线不等长的天线孔上的加热器电源总线布置示例。参照图3B，加热器总线304和308，在本文中也可以称为加热器电源总线，电连接到天线孔段310上的加热线305。
用于电源连接的加热器总线
在一个实施例中，将孔内部的加热器总线引到孔结构的外部以与加热器电源连接。在一个实施例中，这可以通过将加热器总线通过天线孔外部的边界密封结构连接到孔边界密封件外部的、孔中的层中的一个层上的金属层来实现。例如，一种这样的金属层位于虹膜玻璃层上或贴片玻璃层上。这种金属层连接到密封件内侧的加热器总线，并从密封件内侧延伸，穿过密封件，并向外延伸到贴片玻璃层或虹膜玻璃层延伸超出彼此的部分。这些部分可以称为悬垂区域(overhang region)。在这种情况下，贴片或虹膜玻璃层的那些悬垂区域下方的部分可以称为下悬区域(under-hang region)。
图4A和图4B示出加热器总线通过边界密封件到达虹膜玻璃层悬垂部的示例。在一个实施例中，在这种情况下，切割RF孔以便虹膜玻璃层和贴片玻璃层具有悬垂区域(其中基板具有不面对与金属层面相对的玻璃层的金属层区域)。注意，虽然虹膜层和贴片层有时在本文中可以被描述为玻璃层，但它们不限于玻璃并且可以构成其他类型的基板。
图4A示出用于将加热器总线连接到加热器电源的加热器总线连接方案。参照图4A，在一个实施例中，加热器电源(未示出)位于天线元件阵列的外部，例如位于包括加热线的天线元件阵列430的外部。天线孔段400包括如本文所讨论的贴片层和虹膜层。虹膜层的一部分，称为虹膜悬垂部401和402，在贴片层的部分上延伸。类似地，贴片玻璃层的一部分，在本文中称为贴片悬垂部403，延伸超出虹膜玻璃层的一部分。虹膜玻璃层和贴片玻璃层通过孔边界密封件460密封在一起。加热器电源总线410在密封界线421处穿过边界密封件460。加热器总线411在密封界线420处穿过边界密封件460并连接到电源。在这两种情况下，加热器总线410和加热器总线411能够通过离开天线孔段400来通过电源连接。天线孔段400包括加热器总线410和411，加热器总线410和411在本文中也可以称为加热器电源总线并且电连接到天线元件阵列430中的加热线481。
图4B是连接到孔内加热器线并且在密封件下方延伸并伸出到虹膜悬垂部上的接合焊盘结构的加热器总线的一般横截面。参照图4B，加热器总线金属443在边界密封件、边界密封粘合剂450下方，在虹膜玻璃层431上，在钝化层446的顶部延伸。因此，加热器总线金属443在边界密封粘合剂450的下方。边界密封粘合剂450将贴片玻璃层430耦合到在其上包括制造层的虹膜玻璃层431。
加热线444沉积在钝化层446和加热器总线金属443的一部分的顶部，从而通过加热器线444电连接到加热器总线金属443。加热器线444制造在钝化层441的一部分上，钝化层441制造在虹膜金属445的顶部并且制造在加热器总线金属443的一部分上。在可选实施例中，在加热器总线金属443和加热线444之间存在钝化层，其中通孔通过钝化层连接加热器总线金属443和加热线444。
钝化层441制造在加热线444的顶部和加热器总线金属443的至少一部分上。取向层432制造在钝化层441的顶部。钝化层441也制造在贴片玻璃层430的底部。类似地，取向层432制造在贴片玻璃层430上的钝化层441的一部分上。注意，虽然加热器线444直接沉积在加热器总线金属443的顶部而在它们之间没有钝化层和通孔，但在可选实施例中，另一钝化层沉积在加热器线444和加热器总线金属443之间，并且使用通孔在加热线444和加热器总线金属443之间形成电连接。在蚀刻加热器线金属时，该钝化层保护加热器总线金属。
接合焊盘/连接器结构442是将电源电连接到加热器总线金属443的位置。
加热器总线的电力可以从孔的贴片玻璃层侧传到边界密封件内侧的、边界密封件本身内的或边界密封件外侧的孔的虹膜玻璃层侧。将加热器总线引出到贴片层悬垂部的优点是可以使连接器内的加热器连接用于从控制器电子装置到孔的其余接口线。以下说明示出了在边界密封件内侧和边界密封件内执行此操作的方法。
图5示出加热器电源总线在边界密封件内侧从虹膜层电跨越到贴片层的一个实施例。参照图5，示出贴片玻璃层501在虹膜玻璃层502上方。一些层制造在贴片玻璃层501和虹膜玻璃层502上并且边界密封粘合剂521将这两个基板耦合在一起。在一个实施例中，贴片玻璃层501和虹膜玻璃层502包括玻璃层，然而它们可以是其他类型的基板。
虹膜金属541制造在虹膜玻璃层502的顶部。钝化层531制造在虹膜金属541和不存在虹膜金属541的虹膜玻璃层502的的顶部。钝化层531上方包括加热器总线金属512。在虹膜金属541之上的钝化层531之上是钝化层550。加热线510制造在钝化层550的顶部和加热器总线金属512的一部分的顶部。在可选实施例中，在加热器总线金属512和加热线510之间存在钝化层，其中通孔通过钝化层连接加热器总线金属512和加热线510。钝化层530制造在加热线510或加热线510的至少一部分的上方，其中取向层540制造在钝化层530的顶部。在贴片玻璃层501上，制造有钝化层532。在钝化层532的顶部是供应加热器总线的加热器总线供电金属层511。钝化层530覆盖加热器总线供电金属层511的一部分，而取向层540覆盖钝化层530的一部分并且用于对准LC 560。接合/连接器结构513位于允许加热器电源总线和外部电源(未示出)之间电连接的位置。
导电跨越部(conductive cross-over)520将加热器总线供应金属层511电连接到加热器总线金属512，使得连接到连接器结构513的电源能够通过加热器总线供应金属层511通过导电跨越部520向加热器总线金属512供电，加热器总线金属512向加热线510供电。
图6示出加热器总线在边界密封件结构内侧从虹膜层电跨越到贴片层的一个实施例。参照图6，导电跨越部620与边界密封件621在一起并在制造贴片玻璃层601上的加热器总线供应金属层611与加热器总线金属612之间提供电连接，加热器总线金属612在虹膜玻璃层602上。加热器线615制造在钝化层650的一部分上，钝化层650制造在虹膜金属641的顶部并且制造在加热器总线金属612的一部分上。在可选实施例中，在加热器总线金属612和加热器线615之间存在钝化层，其中通孔通过钝化层连接加热器总线金属612和加热器线615。
贴片悬垂部在边界密封件外侧没有面对虹膜玻璃。虹膜下悬部在边界密封件外侧没有面对贴片玻璃。因此可接近悬垂部或下悬部上的金属层以连接到加热器电源/控制器。例如，这种连接可以通过ACF(异向导电膜，一种粘合剂)连接到柔性电缆。该柔性电缆可以连接到加热器电源/控制器。该加热器电源/控制器可以位于孔控制器板上，也可以是独立的电源/控制器单元。
注意，在图中，贴片玻璃，特别是在边界密封区域周围，除了加热器接线之外，还有一些其他结构。所绘制的加热器连接结构仅关注为加热器供电的方法，并没有试图展示与其他贴片结构的集成，例如从贴片悬垂部连接到虹膜金属的电压总线。加热器总线供电金属层511(在图5中)和611(在图6中)上方的钝化层将该加热器总线供电金属层511与贴片电路的其余部分隔离。
加热器接线、加热器总线和连接件的布置
加热器接线和加热器总线可以布置在孔的贴片玻璃侧、孔的虹膜玻璃侧，或者可以部分在孔的贴片和虹膜玻璃(或非玻璃)层上。加热器的连接件可以从孔的贴片玻璃层或虹膜玻璃层侧出来。
RF孔内的温度传感器
在一个实施例中，一个或多个温度传感器位于孔内。这些温度传感器用于监控内部孔温度和控制包括加热元件(线)、加热器总线和加热器连接件的加热器是否需要接合以调整孔中的温度。在需要将RF天线元件置于特定温度或温度范围内时，这可能是必要的。例如，当RF天线元件中的每一个包括LC时，如果LC处于特定温度，则天线元件更有效地操作。因此，通过监控孔内的温度并确定LC的温度低于其最佳温度范围，加热线、总线和连接件可以用于对内部孔进行加热，直到LC达到所需的温度范围。
使用天线元件控制晶体管(例如，TFT)进行孔温度测量
本发明的实施例包括使用集成到贴片层基板上的晶体管(例如，TFT)来测量LC温度的技术。在一个实施例中，该技术使用TFT随温度变化的迁移特性来指示温度。
图7A至图7C是不同温度下典型的TFT电压与电流曲线。参照图7A至图7C，每个图表具有两个Vds值的曲线，其中竖直轴是Id，水平轴是Vgs。
注意，给定Vds和Vgs的Id会随温度变化。通过使用这种TFT特性并将Vgs和Vds设置为已知的常数值，可以将测得的Id值与TFT的温度相关联。
图8A是使用TFT(或其他类型的晶体管)确定LC的温度估计量的过程的一个实施例的流程图。TFT连接到LC。因此，TFT的温度提供对LC温度的指示。该过程由包括温度监控子系统的温度控制系统执行。
参照图8A，该过程首先调整称为数模转换器(DAC)值的数字电压值，直到电压Vgs测量模数转换器(ADC)指示预定义的Vgs值(过程框801)。接下来，温度控制系统中的处理逻辑通过读取正在监控电流感测电阻器两端的电压的Id测量ADC来测量电流Id(过程框802)。基于Vgs电压值和Id电流值，处理逻辑将Id值与校准温度值相关联(过程框803)。相关联可以通过使用值访问查找表(LUT)来确定TFT的对应温度值的关联器/处理单元(例如，处理器)来执行。
图8B示出温度测量电路的示例。参照图8B，DAC 861将电压值提供到具有与晶体管864串联联接的电流感测电阻器862的电路耦合。在一个实施例中，晶体管864与RF天线元件中的液晶(LC)接触。在一个实施例中，晶体管864包括薄膜晶体管(TFT)。在一个实施例中，从DAC 861输出的电压值来自温度控制器831。在一个实施例中，温度调整单元843可以基于被监控的晶体管的类型提供不同的电压值。
使用比较器863监控电流感测电阻器862两端的电压值以产生电流测量值，该电流测量值由ADC 810转换为数字形式。基于电流测量值和测得的Vgs电压，关联器841基于晶体管864与测得的电流Id和Vgs电压之间的相关性确定晶体管864的温度842(过程框803)。由于晶体管864与LC接触，因此晶体管864的温度用于指示或表示LC的温度。
图8C是使用以不同于图8A的方式配置的TFT(或其他类型的晶体管)确定LC的温度估计量的过程的一个实施例的流程图。如图8A所示，TFT连接到LC并且TFT的温度提供对LC温度的指示。该过程由包括温度监控子系统的温度控制系统执行。
参照图8C，该过程首先调整称为数模转换器(DAC)值的数字电压值，直到电压Vds测量模数转换器(ADC)指示预定义的Vds值(过程框804)。接下来，温度控制系统中的处理逻辑通过读取正在监控电流感测电阻器两端的电压的Id测量ADC来测量电流Id(过程框805)。基于Vds电压值和Id电流值，处理逻辑将Id值与校准温度值相关联(过程框806)。相关联可以通过使用值访问查找表(LUT)来确定TFT的对应温度值的关联器/处理单元(例如，处理器)来执行。
图8D示出使用图8C的步骤的TFT温度监控电路的另一个示例。图8D中的电路与图8B中的电路基本相似，除了晶体管814以不同的方式耦合。因此，通过监控子系统的测量以及温度控制器831的操作以相同的方式操作。
在一个实施例中，多个测试TFT可以分布在天线阵列中的RF元件(及其LC)周围，以测量位于不同位置的温度以及/或者用于温度平均。
使用LC的电容特性测量LC温度
在一个实施例中，通过使用LC的电容特性来测量LC温度。这使用了LC的电容作为温度的函数变化的特性。
在一个实施例中，通过将导电表面布置在贴片玻璃层上并且将匹配的导电表面布置在虹膜玻璃层上来制造电测试电容器，从而产生LC作为分离介电材料的电容器。这些导电表面连接到测量电容的电路(例如，电容数字转换器(CDC))。由于LC的电容是温度的函数，因此测试电容器的电容可以直接与LC的温度相关联。
图9示出确定LC电容以便确定RF天线元件中LC的温度的电路。参照图9，激励信号901被提供到将虹膜玻璃层910E连接到液晶910C的导体910D。在一个实施例中，激励是方波。在一个实施例中，激励信号901来自具有温度控制器931提供输入的DAC。在一个实施例中，温度调整单元943可以基于被监控的测试电容器的类型提供不同的电压值。
贴片玻璃层910A使用导体910B耦合到液晶910C。将信号901的方波施加到导体910D会导致在液晶910C上产生电容，该电容通过Σ-Δ数字转换器(CDC)902测量。CDC 902的输出被提供到温度控制器931，温度控制器931使用关联器941将电容测量值与基于LC的测试电容器的LC温度942相关。然后该温度被用作阵列中RF天线元件中LC的温度。
在又一个实施例中，温度监控子系统可操作以测量液晶的衰减速度并将衰减速度与液晶的温度相关联。LC的衰减速度在本领域中是众所周知的，并且很容易跟踪使用LC的时间量。在一个实施例中，以与上面结合图8B、图8D和图9所描述的方式相同的方式执行关联操作。
在一个实施例中，多个测试贴片分布在基于LC的RF天线元件的天线阵列周围，以测量位于不同位置的温度以及/或者用于温度平均。
结合温度传感器来操作包括加热元件和加热器总线的加热器，以向加热器系统提供反馈。温度传感器可以在孔中或在孔上。可能需要通过校准程序来建立孔内部的温度和传感器测量的温度之间的某种相关性。
在一个实施例中，孔的温度通过由温度传感器和加热器电源/控制器组成的控制回路来调整。当传感器指示孔低于其操作温度时，加热器电源控制器使加热器打开以对孔进行加热。存在许多使用本文描述的加热器结构可以控制所需的孔温度的方法。
在可选实施例中，代替将加热器布置在RF孔内，在覆板上铺设相同类型的加热器线图案、进行加热器线图案布置、进行加热器总线和加热器总线布置。在一个实施例中，覆板是直接在RF孔的面向卫星的一侧上的基板。在一个实施例中，实施方案与上述用于在RF孔内(在RF元件/LC平面中)使用的实施方案相同。
在一个实施例中，当将加热器布置在覆板上时，将覆板布置为使加热器线图案位于贴片层的顶部和覆板的底部之间，尽可能靠近LC层。将加热器布置在覆板上的一个潜在问题是来自贴片层的RF与覆板上的加热器线的相互作用可能对RF孔形成的RF图案产生不利影响。为了减少RF与加热器线的相互作用，在一个实施例中，使贴片层尽可能地薄，以使加热器尽可能靠近RF元件/LC平面。
图21A和图21B示出附接加热器图案的覆板的示例。参照图21A和图21B，覆板2101在其底侧包括加热器线图案2103。加热器总线2102也附接到覆板2101的底部。覆板2101耦合到包括如图21B所示的RF天线元件的孔区域2110、贴片悬垂部2104的段2100。
天线实施例的示例
上述技术可以与平板天线一起使用。公开了这种平板天线的实施例。平板天线包括天线孔上的一个或多个天线元件阵列。在一个实施例中，天线元件包括液晶单元。在一个实施例中，平板天线是包括矩阵驱动电路的圆柱形馈电天线，该矩阵驱动器电路用于唯一地寻址和驱动没有布置在行和列中的天线元件中的每一个。在一个实施例中，元件布置在环中。
在一个实施例中，具有一个或多个天线元件阵列的天线孔由耦合在一起的多个段组成。当耦合在一起时，这些段的组合形成天线元件的封闭同心环。在一个实施例中，同心环相对于天线馈线是同心的。
天线系统示例概述
在一个实施例中，平板天线是超材料天线系统的一部分。描述了用于通信卫星地球站的超材料天线系统的实施例。在一个实施例中，天线系统是在移动平台(例如，航空、海上、陆地等)上操作的卫星地球站(ES)的组件或子系统，该移动平台使用用于民用商业卫星通信的Ka波段频率或Ku波段频率进行操作。注意，天线系统的实施例也可以用于不在移动平台上的地球站(例如，固定或便携式地球站)。
在一个实施例中，天线系统使用表面散射超材料技术通过不同的天线形成和操纵发射波束和接收波束。在一个实施例中，天线系统是模拟系统，这与采用数字信号处理通过电来形成和操纵波束的天线系统(例如，相控阵天线)不同。
在一个实施例中，天线系统由三个功能子系统组成：(1)由圆柱形波馈结构组成的波导结构；(2)作为天线元件的一部分的波散射超材料单元阵列；以及(3)控制结构，用于命令使用全息原理从超材料散射元件形成可调整辐射场(波束)。
波导结构示例
图10示出具有一个或多个天线元件阵列的孔，这些天线元件阵列布置在围绕圆柱形馈电天线的输入馈电的同心环中。在一个实施例中，圆柱形馈电天线包括用于提供圆柱形波馈电的同轴馈电。在一个实施例中，圆柱形波馈电结构从中心点向天线馈送激励，该激励从馈电点以圆柱形方式向外传播。即，圆柱形馈电天线产生向外传播的同心馈电波。尽管如此，圆柱形馈电周围的圆柱形馈电天线的形状可以是圆形、方形或任何形状。在另一个实施例中，圆柱形馈电天线产生向内传播的馈电波。在这种情况下，馈电波最自然地来自圆形结构。
天线元件
在一个实施例中，天线元件包括一组贴片天线。这组贴片天线包括散射超材料元件阵列。在一个实施例中，天线系统中的每个散射元件是元胞(unit cell)的一部分，元胞由下导体、电介质基板和嵌入互补电感-电容谐振器(“互补电LC”或“CELC”)的上导体组成，互补电感-电容谐振器蚀刻或沉积在上导体上。如本领域技术人员将理解的，CELC语境中的LC指的是电感-电容，而不是液晶。
在一个实施例中，液晶(LC)设置在散射元件周围的间隙中。该LC由上述直接驱动实施例驱动。在一个实施例中，液晶被封装在每个元胞中并将与槽相关联的下导体和与其贴片相关联的上导体分开。液晶的介电常数是包括液晶的分子的方向的函数，并且可以通过调整液晶两端的偏置电压来控制分子的方向(并且从而可以控制介电常数)。使用该特性，在一个实施例中，液晶集成了用于将能量从导波传输到CELC的开启/关闭开关。开启时，CELC像电小型偶极天线一样发射电磁波。注意，本文的教导不限于具有针对能量传输以二进制方式操作的液晶。
在一个实施例中，该天线系统的馈电几何结构允许天线元件位于与波馈电中的波矢量成四十五度(45°)角的位置。注意，可以使用其他位置(例如，40°角)。元件的这个位置能够控制元件接收或发射/辐射自由空间波。在一个实施例中，天线元件布置成具有小于天线的操作频率的自由空间波长的元件间距。例如，如果每个波长有四个散射元件，则30GHz发射天线中的元件将约为2.5毫米(即，30Ghz的10毫米自由空间波长的1/4)。
在一个实施例中，如果两组元件被控制到相同的调谐状态，则它们相互垂直并且同时具有等幅激励。将它们相对于馈电波激励旋转+/-45度可以同时获得两个所需的特征。将一组旋转0度，另一组旋转90度，两组元件将相互垂直，但不具有等幅激励。注意，当从两侧向单个结构中的天线元件阵列馈电时，可以使用0度和90度来实现隔离。
通过使用控制器向贴片施加电压(LC通道两端的电压)来控制从每个元胞辐射的功率量。每个贴片的走线用于向贴片天线提供电压。该电压用于调谐或去谐电容，从而调谐或去谐各个元件的谐振频率以形成波束。所需电压取决于所使用的液晶混合物。液晶混合物的电压调谐特性主要由阈值电压来描述，在该阈值电压下液晶开始受电压和饱和电压影响，高于该阈值电压电压的增加不会引起液晶的大调谐。对于不同的液晶混合物，这两个特征参数可以改变。
在一个实施例中，如上所述，矩阵驱动器用于将电压施加到贴片，以便将每个元胞与所有其他元胞分开驱动，而无需单独连接每个元胞(直接驱动)。由于元件的高密度，因此矩阵驱动器是单独寻址每个元胞的有效方式。
在一个实施例中，天线系统的控制结构具有两个主要组件：天线阵列控制器，其包括驱动电子装置，对于天线系统来说位于波散射结构下方，而矩阵驱动开关阵列以不干扰辐射的方式散布在整个辐射RF阵列中。在一个实施例中，天线系统的驱动电子装置包括商业电视设备中使用的商业现成LCD控件，其通过调整到该元件的AC偏置信号的幅度或占空比来调整每个散射元件的偏置电压。
在一个实施例中，天线阵列控制器还包含运行软件的微处理器。控制结构还可以包含传感器(例如，GPS接收器、三轴罗盘、三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁力计等)以向处理器提供位置和方向信息。位置和方向信息可以由地球站中的其他系统提供给处理器，并且/或者可以不是天线系统的一部分。
更具体地，天线阵列控制器控制哪些元件关闭，哪些元件开启，以及在操作频率下处于哪个相位和幅度水平。通过施加电压选择性使元件失谐以进行频率操作。
对于传输，控制器向RF贴片提供电压信号阵列，以创建调制或控制模式。控制模式使元件变为不同的状态。在一个实施例中，使用多态控制，其中各种元件被开启和关闭到不同的水平，进一步逼近正弦控制模式，而不是方波(即，正弦灰度调制模式)。在一个实施例中，一些元件比其他元件辐射更强，而不是一些元件辐射而一些不辐射。可变辐射是通过施加特定的电压电平来实现的，将液晶介电常数调整为不同的量，从而使元件可变地失谐并导致一些元件比其他元件辐射更多。
超材料元件阵列产生聚焦束可以通过相长干涉和相消干涉现象来解释。如果各个电磁波在自由空间相遇时相位相同，则它们相加(相长干涉)；如果它们在自由空间相遇时相位相反，则波相互抵消(相消干涉)。如果槽天线中的槽被定位为使得每个连续槽位于距导波激振点不同的距离处，则来自该元件的散射波将具有与前一个槽的散射波不同的相位。如果这些槽间隔导波波长的四分之一，则每个槽将散射比前一个槽相位延迟四分之一的波。
使用该阵列，可以增加可以产生的相长干涉和相消干涉图案的数量，因此使用全息原理，理论上可以将波束指向与天线阵列的瞄准线成正负九十度(90°)的任何方向。因此，通过控制开启或关闭哪些超材料元胞(即，通过改变开启哪些单元以及关闭哪些单元的模式)，可以产生不同的相长干涉和相消干涉图案，并且天线可以改变主波束的方向。开启和关闭元胞所需的时间影响波束可以从一个位置切换到另一个位置的速度。
在一个实施例中，天线系统产生一个用于上行天线的可控波束以及一个用于下行天线的可控波束。在一个实施例中，天线系统使用超材料技术来接收波束、对来自卫星的信号进行解码以及形成指向卫星的发射波束。在一个实施例中，天线系统是模拟系统，与采用数字信号处理以电形成和操纵波束的天线系统(例如，相控阵天线)不同。在一个实施例中，天线系统被认为是平面的且相对低姿态的“表面”天线，尤其是与传统的碟形卫星接收器相比时。
图11示出包括接地平面和可重构谐振器层的一排天线元件的立体图。可重构谐振器层1230包括可调谐槽阵列1210。可调谐槽阵列1210可以被配置为将天线指向期望的方向。可以通过改变液晶两端的电压来调谐/调整可调谐槽中的每一个。
控制模块1280耦合到可重构谐振器层1230以通过改变图11中液晶两端的电压来调制可调谐槽阵列1210。控制模块1280可以包括现场可编程门阵列(“FPGA”)、微处理器、控制器、片上系统(SoC)或其他处理逻辑。在一个实施例中，控制模块1280包括用于驱动可调谐槽阵列1210的逻辑电路(例如，多路复用器)。在一个实施例中，控制模块1280接收数据，该数据包括待驱动到可调谐槽阵列1210上的全息衍射图案的规范。全息衍射图案可以响应于天线和卫星之间的空间关系而产生，以便全息衍射图案将下行波束(以及上行波束，如果天线系统执行发射)控制在用于通信的适当的方向上。尽管未在每个附图中绘制，但类似于控制模块1280的控制模块可以驱动本公开的附图中描述的每个可调谐槽阵列。
射频(“RF”)全息术也可以使用类似的技术，其中在RF参考波束遇到RF全息衍射图案时可以生成所需的射频波束。在卫星通信的情况下，参考波束是馈电波的形式，例如馈电波1205(在一些实施例中约为20GHz)的形式。为了将馈电波转换为辐射波束(出于发射或接收目的)，计算所需RF波束(目标波束)和馈电波(参考波束)之间的干涉图案。干涉图案作为衍射图案被驱动到可调谐槽阵列1210上，以便馈电波被“操纵”为期望的RF波束(具有期望的形状和方向)。换言之，遇到全息衍射图案的馈电波“重构”了根据通信系统的设计要求形成的目标波束。全息衍射图案包含每个元件的激励，并通过
Figure BDA0003694888940000231
计算，其中win为波导中的波动等式，wout为出射波的波动等式。
图12示出可调谐谐振器/槽1210的一个实施例。可调谐槽1210包括虹膜/槽1212、辐射贴片1211以及设置在虹膜/槽1212和贴片1211之间的液晶1213。在一个实施例中，辐射贴片1211与虹膜/槽1212位于同一位置。
图13示出物理天线孔的一个实施例的横截面图。天线孔包括接地平面1245和虹膜层1232内的金属层1236，该虹膜层1232包括在可重构谐振器层1230中。在一个实施例中，图13的天线孔包括图12的多个可调谐谐振器/槽1210。虹膜/槽1212由金属层1236中的开口限定。馈电波，例如图11的馈电波1205，可以具有与卫星通信信道相配的微波频率。馈电波在接地平面1245和谐振器层1230之间传播。
可重构谐振器层1230还包括垫片层1232和贴片层1231。垫片层1232设置在贴片层1231和虹膜层1233之间。注意，在一个实施例中，间隔件可以代替垫片层1232。在一个实施例中，虹膜层1233是包括作为金属层1236的铜层的印刷电路板(“PCB”)。在一个实施例中，虹膜层1233是玻璃。虹膜层1233可以是其他类型的基板。
可以在铜层中蚀刻开口以形成虹膜/槽1212。在一个实施例中，虹膜层1233通过导电接合层可导地耦合到图13中的另一结构(例如，波导)。注意，在一个实施例中，虹膜层不通过导电接合层可导地耦合，而是与非导电接合层接合。
贴片层1231也可以是包括作为辐射贴片1211的金属的PCB。在一个实施例中，垫片层1232包括间隔件1239，间隔件1239提供机械间隔以限定金属层1236和贴片1211之间的尺寸。在一个实施例中，间隔件是75微米，但也可以使用其他尺寸(例如，3至200mm)。如上所述，在一个实施例中，图13的天线孔包括多个可调谐谐振器/槽，例如可调谐谐振器/槽1210包括图12的贴片1211、液晶1213和虹膜/槽1212。液晶室1213由间隔件1239、虹膜层1233和金属层1236限定。当腔室充满液晶时，贴片层1231可以层压到间隔件1239上以将液晶密封在谐振器层1230内。
可以调制贴片层1231和虹膜层1233之间的电压以调谐贴片和槽(例如，可调谐谐振器/槽1210)之间的间隙中的液晶。调整液晶1213两端的电压会改变槽(例如，可调谐谐振器/槽1210)的电容。因此，可以通过改变电容来改变槽(例如，可调谐谐振器/槽1210)的电抗。槽1210的谐振频率也根据等式
Figure BDA0003694888940000251
改变，其中f是槽1210的谐振频率，L和C分别是槽1210的电感和电容。槽1210的谐振频率影响从通过波导传播的馈电波1205辐射的能量。例如，如果馈电波1205是20GHz，则可以将槽1210的谐振频率调整(通过改变电容)到17GHz，以便槽1210基本上不耦合来自馈电波1205的能量。或者，可以将槽1210的谐振频率调整到20GHz，以便槽1210耦合来自馈电波1205的能量并将该能量辐射到自由空间中。尽管给出的示例是二元的(完全辐射或根本不辐射)，但是可以用多值范围上的电压变化来全灰度控制电抗以及因此全灰度控制槽1210的谐振频率。因此，可以精细地控制从每个槽1210辐射的能量，从而可以通过可调谐槽阵列形成详细的全息衍射图案。
在一个实施例中，一行中的可调谐槽彼此间隔λ/5。可以使用其他间距。在一个实施例中，一行中的每个可调谐槽与相邻行中最近的可调谐槽间隔λ/2，因此，不同行中方向一致的可调谐槽间隔λ/4，尽管也可以试其他间隔(例如，λ/5、λ/6.3)。在另一个实施例中，一行中的每个可调谐槽与相邻行中最近的可调谐槽间隔λ/3。
实施例使用可重构超材料技术，例如在2014年11月21日提交的、名称为“DynamicPolarization and Coupling Control from a Steerable Cylindrially FedHolographic Antenna(可控圆柱馈电全息天线的动态偏振和耦合控制)”的、申请号为14/550，178的美国专利申请以及2015年1月30日提交的、名称为“Ridged Waveguide FeedStructures for Reconfigurable Antenna(可重构天线的脊状波导馈电结构)”的、申请号为14/610，502的美国专利申请中所描述的。
图14A至图14D示出构建槽阵列的不同层的一个实施例。天线阵列包括位于环中的天线元件，例如位于图10所示的示例环中的天线元件。注意，在该示例中，天线阵列具有两种不同类型的天线元件，它们用于两种不同类型的频带。
图14A示出位置与槽相对应的第一虹膜板层的一部分。操纵图14A，圆圈是虹膜基板底侧金属层中的开放区域/槽，并且用于控制元件与馈电(馈电波)的耦合。注意，该层是可选层，并非在所有设计中都使用。图14B示出包含槽的第二虹膜板层的一部分。图14C示出第二虹膜板层的一部分上的贴片。图14D示出槽阵列的一部分的俯视图。
图15示出圆柱形馈电天线结构的一个实施例的侧视图。天线使用双层馈电结构(即，两层馈电结构)产生向内的行波。在一个实施例中，天线包括圆形外形，但这不是必需的。即，可以使用非圆形的向内传播结构。在一个实施例中，图15中的天线结构包括图10的圆柱形馈电。
参照图15，同轴引脚1601用于激发天线下层的场。在一个实施例中，同轴引脚1601是容易获取的50Ω同轴引脚。同轴引脚1601耦合(例如，栓接)到天线结构的底部，该底部与接地平面1602导通。
与导电接地平面1602分开的是间隙导体1603，间隙导体1603是内部导体。在一个实施例中，导电接地平面1602和间隙导体1603彼此平行。在一个实施例中，接地平面1602和间隙导体1603之间的距离是0.1-0.15。在另一个实施例中，该距离可以是λ/2，其中λ是操作频率下的行波波长。
接地平面1602经由间隔件1604与间隙导体1603分开。在一个实施例中，间隔件1604是泡沫或类似空气的间隔件。在一个实施例中，间隔件1604包括塑料间隔件。
在间隙导体1603的顶部是介电层1605。在一个实施例中，介电层1605是塑料的。介电层1605的目的是相对于自由空间速度减慢行波。在一个实施例中，介电层1605相对于自由空间将行波减慢30％。在一个实施例中，适用于波束形成的折射率范围是1.2至1.8，其中根据定义，自由空间的折射率等于1。其他介电间隔件材料，例如塑料，可以用于实现该效果。注意，可以使用塑料以外的材料，只要它们达到所需的减波效果即可。或者，具有分布式结构的材料可以用作介电层1605，例如可以机器加工或以光刻方式定义的周期性亚波长金属结构可以用作介电层1605。
RF阵列1606位于介电层1605的顶部。在一个实施例中，间隙导体1603和RF阵列1606之间的距离是0.1-0.15。在另一个实施例中，该距离可以是λeff/2，其中λeff是介质在设计频率下的有效波长。
天线包括侧面1607和1608。侧面1607和1608成角度以使来自同轴引脚1601的行波馈电经由反射从间隙导体1603下方的区域(间隔件层)传播到间隙导体1603上方的区域(介电层)。在一个实施例中，侧面1607和1608的角度为45°角。在可选实施例中，侧面1607和1608可以通过连续半径代替以实现反射。虽然图15示出具有45度角的成角的侧面，但也可以使用实现从下层馈电到上层馈电的信号传输的其他角度。即，鉴于下馈电中的有效波长通常不同于上馈电中的有效波长，可以使用与理想45°角有一些偏差的角来帮助从下馈电到上馈电的传输。例如，在另一个实施例中，用单个台阶代替45°角。天线一端的台阶围绕介电层、间隙导体和间隔件层。同样的两个台阶在这些层的另一端。
在操作中，当馈电波从同轴引脚1601馈入时，波在接地平面1602和间隙导体1603之间的区域中从同轴引脚1601同心地向外传播。同心出射波被侧面1607和1608反射并在间隙导体1603和RF阵列1606之间的区域中向内传播。来自圆周边缘的反射导致波保持同相(即，它是同相反射)。行波因介电层1605而减慢。此时，行波开始与RF阵列1606中的元件相互作用并激发以获得所需的散射。
为了终止行波，天线中包括位于天线的几何中心处的终端1609。在一个实施例中，终端1609包括引脚终端(例如，50Ω引脚)。在另一个实施例中，终端1609包括RF吸收器，RF吸收器终止未使用的能量以防止该未使用的能量通过天线的馈电结构反射回来。这些可以在RF阵列1606的顶部使用。
图16示出具有出射波的天线系统的另一个实施例。参照图16，两个接地平面1610和1611基本上彼此平行，其中在接地平面之间具有介电层1612(例如，塑料层等)。RF吸收器1619(例如，电阻器)将两个接地平面1610和1611耦合在一起。同轴引脚1615(例如，50Ω)为天线馈电。RF阵列1616位于介电层1612和接地平面1611的顶部。
在操作中，馈电波通过同轴引脚1615馈送，并且同心地向外传播并与RF阵列1616的元件相互作用。
图15和图16的两个天线中的圆柱形馈电改善了天线的服务角。不是正负四十五度方位角(±45°Az)和正负二十五度仰角(±25°El)的服务角，在一个实施例中，天线系统具有在所有方向上与瞄准线成七十五度(75°)的服务角。与由许多单独的辐射器组成的任何波束成形天线一样，整体的天线增益取决于组成元件的增益，这些组成元件本身与角度有关。当使用常见的辐射元件时，整体的天线增益通常会随着波束远离瞄准线而降低。在偏离瞄准线75度时，预计增益会显著下降约6dB。
具有圆柱形馈电的天线的实施例解决了一个或多个问题。这些包括与用企业分频器网络馈电的天线相比，大大简化了馈电结构，因此减少了总体所需的天线和天线馈电量；通过用较粗的控制(一直延伸到简单的二元控制)保持高波束性能，减少了对制造和控制误差的敏感性；与直线馈电相比，提供更有利的旁瓣模式，因为圆柱形定向的馈电波会在远场产生空间上多样化的旁瓣；并且允许动态偏振，包括允许左旋圆形、右旋圆形和线性偏振，同时不需要偏振器。
波散射元件阵列
图15的RF阵列1606和图16的RF阵列1616包括波散射子系统，波散射子系统包括充当辐射器的一组贴片天线(即，散射体)。这组贴片天线包括散射超材料元件阵列。
在一个实施例中，天线系统中的每个散射元件是元胞的一部分，元胞由下导体、电介质基板和嵌入互补电感-电容谐振器(“互补电LC”或“CELC”)的上导体组成，互补电感-电容谐振器蚀刻或沉积在上导体上。
在一个实施例中，液晶(LC)注入在散射元件周围的间隙中。液晶被封装在每个元胞中并将与槽相关联的下导体和与其贴片相关联的上导体分开。液晶的介电常数为包括液晶的分子的方向的函数，并且可以通过调整液晶两端的偏置电压来控制分子的方向(并且从而可以控制介电常数)。使用该特性，液晶充当用于将能量从导波传输到CELC的开启/关闭开关。开启时，CELC会像电小型偶极天线一样发射电磁波。
控制LC的厚度会增加波束切换速度。下导体和上导体之间的间隙(液晶的厚度)减少百分之五十(50％)会导致速度增加四倍。在另一个实施例中，液晶的厚度导致波束切换速度大约十四毫秒(14ms)。在一个实施例中，以本领域公知的方式掺杂LC以提高响应性，从而可以满足七毫秒(7ms)的要求。
CELC元件对平行于CELC元件的平面并垂直于CELC间隙补体施加的磁场作出响应。当向超材料散射元胞中的液晶施加电压时，导波的磁场分量会引起CELC的磁激发，转而产生与导波频率相同的电磁波。
单个CELC所产生的电磁波的相位可以通过CELC在导波矢量上的位置来选择。每个单元产生与平行于CELC的导波同相的波。由于CELC小于波长，因此输出波在通过CELC下方时具有与导波的相位相同的相位。
在一个实施例中，该天线系统的圆柱形馈电几何结构允许CELC元件位于与波馈电中的波矢量成四十五度(45°)角的方位。元件的这个位置能够控制元件所产生或接收的自由空间波的偏振。在一个实施例中，CELC以小于天线操作频率的自由空间波长的元件间距布置。例如，如果每个波长有四个散射元件，则30GHz发射天线中的元件将约为2.5毫米(即，30Ghz的10毫米自由空间波长的1/4)。
在一个实施例中，CELC利用贴片天线实施，该贴片天线包括位于槽上方相同位置处的贴片，液晶位于槽与贴片之间。在这方面，超材料天线就像槽(散射)波导。对于槽波导，输出波的相位取决于与导波相关的槽的位置。
单元布置
在一个实施例中，天线元件以允许系统矩阵驱动电路的方式布置在圆柱形馈电天线孔上。单元的布置包括矩阵驱动的晶体管的布置。
图17示出矩阵驱动电路相对于天线元件的位置的一个实施例。参照图17，行控制器1701分别经由行选择信号Row1和Row2耦合到晶体管1711和1712，而列控制器1702经由列选择信号Column1耦合到晶体管1711和1712。晶体管1711还经由与贴片1731的连接耦合到天线元件1721，而晶体管1712经由与贴片1732的连接耦合到天线元件1722。
在元胞布置在非规则网格中的圆柱形馈电天线上实现矩阵驱动电路的初始方法中，执行两个步骤。在第一步中，将单元布置在同心环上，每个单元连接到布置在单元旁边并充当用于单独驱动每个单元的开关的晶体管。在第二步中，构建矩阵驱动电路，以便按照矩阵驱动方法的要求将每个晶体管与唯一的地址连接。由于矩阵驱动电路是由行和列走线(类似于LCD)构建的而单元布置在环上，因此没有为每个晶体管分配唯一的地址的系统的方法。这种映射问题导致用于覆盖所有晶体管的电路非常复杂，并导致用于完成布线的物理走线的数量显著增加。由于单元密度较高，因此这些走线会由于耦合效应而干扰天线的RF性能。此外，由于走线的复杂性和封装密度较高，因此无法通过市售的布局工具来完成走线的布线。
在一个实施例中，矩阵驱动电路是在布置单元和晶体管之前预定义的。这确保了驱动所有单元所需的最少走线数量，其中每个单元具有唯一的地址。这种策略降低了驱动电路的复杂性并简化了布线，从而提高了天线的RF性能。
更具体地，在一种方法中，在第一步中，将单元布置在由描述每个单元的唯一地址的行和列组成的规则矩形网格上。在第二步中，将单元分组并转换为同心圆，同时保持它们的地址以及与第一步中定义的行和列的连接。这种转换的目标不仅是将单元布置在环上，而且还要在整个孔上保持单元之间的距离和环之间的距离恒定。为了实现该目标，有几种方式对单元进行分组。
在一个实施例中，TFT封装用于实现矩阵驱动器中的布置和唯一寻址。
图18示出TFT封装的一个实施例。参照图18，示出TFT和保持电容器1803具有输入和输出端口。有两个输入端口连接到走线1801，并且有两个输出端口连接到走线1802以使用行和列将TFT连接在一起。在一个实施例中，行和列走线以90°角交叉以减少并且可能最小化行和列走线之间的耦合。在一个实施例中，行和列走线位于不同的层上。
示例系统实施例
在一个实施例中，在与机顶盒结合操作的电视系统中使用组合天线孔。例如，在双接收天线的情况下，天线所接收的卫星信号被提供到电视系统的机顶盒(例如，DirecTV接收器)。更具体地，组合天线操作能够同时接收两个不同频率和/或偏振的RF信号。即，一个元件子阵列被控制以接收一个频率和/或偏振的RF信号，而另一个子阵列被控制以接收另一个不同频率和/或偏振的信号。这些频率或偏振的差异表示电视系统正在接收不同的信道。类似地，可以针对两个不同的波束位置控制两个天线阵列从两个不同的位置(例如，两个不同的卫星)接收信道，从而同时接收多个信道。
图19是在电视系统中同时执行双接收的通信系统的一个实施例的框图。参照图19，天线1401包括两个空间交错的天线孔，它们可独立操作以在如上所述不同的频率和/或偏振同时执行双接收。注意，虽然仅仅提到了两个空间交错的天线操作，但是TV系统具有的天线孔也可以多于两个(例如，3、4、5等个天线孔)。
在一个实施例中，天线1401，包括其两个交错槽阵列，耦合到双工器1430。该耦合可以包括一个或多个馈电网络，该一个或多个馈电网络从两个槽阵列的元件接收信号以产生馈入双工器1430的两个信号。在一个实施例中，双工器1430是市售双工器(例如，来自A1Microwave的型号PB1081WA Ku波段情景双工器)。
双工器1430耦合到一对低噪声块下变频器(LNB)1426和1427，它们以本领域公知的方式执行噪声过滤功能、下变频功能和放大。在一个实施例中，LNB 1426和1427在室外单元(ODU)中。在另一个实施例中，LNB 1426和1427被集成到天线设备中。LNB 1426和1427耦合到机顶盒1402，机顶盒1402耦合到电视机1403。
机顶盒1402包括耦合到LNB 1426和1427的一对模数转换器(ADC)1421和1422，以将从双工器1430输出的两个信号转换成数字格式。
一旦转换成数字格式，信号就被解调器1423解调并被解码器1424解码以获得接收到的波的编码数据。然后解码数据被发送到控制器1425，控制器1425将该数据发送到电视机1403。
控制器1450控制天线1401，天线1401包括单个组合物理孔上的两个天线孔的交错含槽阵列元件。
全双工通信系统示例
在另一个实施例中，组合天线孔用于全双工通信系统。
图20是具有同时发送和接收路径的通信系统的另一个实施例的框图。虽然仅仅示出一个发送路径和一个接收路径，但是通信系统也可以包括多于一个的发送路径和/或多于一个的接收路径。
参照图20，天线1401包括两个空间交错的天线阵列，该天线阵列可独立操作以在不同频率同时发送和接收，如上所述。在一个实施例中，天线1401耦合到双工器1445。可以通过一个或多个馈电网络进行耦合。在一个实施例中，在径向馈电天线的情况下，双工器1445组合两个信号，并且天线1401和双工器1445之间的连接是可以承载两个频率的单个宽带馈电网络。
双工器1445耦合到低噪声块下变频器(LNB)1427，低噪声块下变频器以本领域公知的方式执行噪声过滤功能以及下变频和放大功能。在一个实施例中，LNB 1427在室外单元(ODU)中。在另一个实施例中，LNB 1427被集成到天线设备中。LNB 1427耦合到调制解调器1460，调制解调器1460耦合到计算系统1440(例如，计算机系统、解调器等)。
调制解调器1460包括耦合到LNB 1427的模数转换器(ADC)1422，以将从双工器1445输出的接收信号转换成数字格式。一旦转换成数字格式，信号就被解调器1423解调并被解码器1424解码以获得接收到的波的编码数据。然后解码数据被发送到控制器1425，控制器1425将该数据发送到计算系统1440。
调制解调器1460还包括编码器1430，编码器1430对待从计算系统1440传输的数据进行编码。编码后的数据被调制器1431调制，然后被数模转换器(DAC)1432转换成模拟数据。然后模拟信号被BUC(上变频和高通放大器)1433过滤并提供到双工器1445的一个端口。在一个实施例中，BUC 1433在室外单元(ODU)中。
以本领域公知的方式操作的双工器1445将发射信号提供到天线1401以进行发射。
控制器1450控制天线1401，天线1401包括单个组合物理孔上的两个天线元件阵列。
注意，图20所示的全双工通信系统具有许多应用，包括但不限于互联网通信、车辆通信(包括软件更新)等。
其他的天线加热器实施例
在一些实施例中，加热结构(例如，电阻式加热器)在天线(例如，超材料或超表面天线)的虹膜基板(例如，玻璃层基板)上产生均匀的加热。在一个实施例中，超材料天线在其天线元件设计中使用一层液晶(LC)材料作为可调电容器。这种天线的示例在本文中更详细地进行了描述并且在本领域中是众所周知的。在一个实施例中，LC材料的响应取决于温度，并且针对10℃及以上温度下来自LC的响应对超材料天线设计进行了优化。正因为如此，超材料天线需要加热器结构以在低于10℃的温度下操作。另外，需要均匀的产热机制来防止由于RF天线段中产热不均匀而导致的机械变形，其中多个天线段耦合在一起形成天线孔。例如，参见名称为“Aperture Segmentation of a Cylindrical Feed Antenna(圆柱形馈电天线的孔分段)”、专利号为9，887，455的美国专利中描述的天线。这种均匀的加热器可以合并到天线的玻璃基板层设计(例如，虹膜基板或玻璃层)中，以提供更有效和更均匀的加热，因为两个玻璃层基板(例如，包含虹膜/槽和虹膜金属层的虹膜玻璃层以及包含贴片和贴片金属层的贴片玻璃层)与LC层直接接触。合并到玻璃或其他虹膜基板层设计中用于均匀加热的加热器在本文中称为“均匀虹膜加热器”。以下描述的加热器设计概念可以将加热功率要求降低数百瓦。
在一个实施例中，本文描述的均匀虹膜加热器是虹膜玻璃上的电阻式加热器。然而，在可选实施例中，加热器构建在贴片玻璃基板上，因为它也与LC层直接接触。在另一种设计中，均匀虹膜加热器被构建为虹膜玻璃层基板和贴片玻璃层基板的组合。
RF元件的径向布置对于均匀加热是挑战，因为彼此平行的垂直(或水平)加热器走线无法用于产生均匀的加热。加热器走线无法与虹膜金属中的开口重叠。在一个实施例中，为了产生均匀的加热，将在每个RF元件处布置加热器结构(例如，相同的加热器结构)。
具有平行总线平面的虹膜加热器
在一个实施例中，均匀虹膜加热器设计将虹膜玻璃基板中的两个金属层作为加热器总线平面。与加热器走线(或结构)相比，加热器总线平面具有非常低的电阻，并且总线平面上的产热可以忽略不计。这是由于与加热器走线和位于加热器走线处的电阻式加热器相比，加热器总线平面占据的面积较大。在一个实施例中，也用于形成RF天线元件(例如，表面散射超材料天线元件)的一部分的虹膜金属层可以用作加热器总线中的一个，加热器总线金属用于构建如图22所示的第二总线平面。
图22示出超材料天线的加热器的实施例中的虹膜金属层2201和加热器总线金属2204。参照图22，在一个实施例中，两层几乎覆盖虹膜玻璃基板的整个表面，并且它们的电阻将是用于每一层的金属的片层电阻的几倍。存在禁止区域2202，禁止区域2202包括围绕虹膜金属层2201中的虹膜开口2203的距离，加热器总线金属2204不会侵入该距离以防止耦合。该结构的横截面图如图23所示。
图23示出靠近RF天线元件的加热器走线2302的横截面。参照图23，加热器走线2302被定义为两个总线平面之间的电阻结构。该加热器走线可以布置在虹膜开口2203和加热器禁止区域2202之外的任何地方，以向虹膜玻璃层基板和贴片玻璃层基板之间的RF天线元件的液晶(LC)提供热量。这种灵活性使得能够在天线孔或其段中的每个RF天线元件处布置相同的加热器走线，或者通过周期性地在整个孔中布置相同的加热器走线设计来控制产热的密度。在一个实施例中，加热器总线平面布置在虹膜玻璃2304基板和虹膜金属层2201之间。在另一个实施例中，虹膜金属层在虹膜玻璃层基板的顶部并且加热器总线平面在虹膜金属层上方。
在一个实施例中，两个钝化层2306和2308隔离加热器总线平面、加热器走线2302和虹膜金属层2201，如图23所示。在一个实施例中，钝化层2306和2308包括半导体行业中常用的介电层。在一个实施例中，在每个钝化层中产生开口或通孔以将加热器走线连接到总线平面。在可选实施例中可以使用其他连接方案。
因此，在一个实施例中，加热器结构将整个(或几乎整个)虹膜金属层用作一个加热器总线，并将覆盖与虹膜金属层几乎相同区域的另一加热器总线金属用于均匀加热，其中多个加热器走线/结构在它们之间。
加热器概念也可以在不将虹膜金属层用作总线平面的情况下实现。在这种情况下，在一个实施例中，将两个加热器总线平面层添加到虹膜玻璃层基板。在一个实施例中，这些加热器总线平面层布置在虹膜金属层下方、虹膜金属层上方，或者它们可以与虹膜金属层形成三明治状结构。注意，在一个实施例中，在这种情况下，在虹膜金属层中构建另外的开口以连接到总线平面层。
在一个实施例中，加热器在直流电压下操作。在另一个实施例中，加热器在切换电压下操作。在一个实施例中，如果虹膜金属层用作加热器总线平面并且虹膜金属上的电压由于RF天线元件驱动方案而切换，则通过开关波形驱动加热器结构以在加热器走线上保持恒定的差分电压。例如，在一个实施例中，如果虹膜金属层通过每T秒在V1和V2之间切换的电压源来驱动，则另一个加热器总线平面可以通过对加热结构每T秒在V1-Vheater和V2-Vheater之间切换的电压源来驱动。
虹膜金属层作为加热器总线平面
图24示出具有单个总线平面(虹膜金属)的均匀虹膜加热器。在不同的均匀虹膜加热器实施例中，虹膜金属层用作唯一的加热器总线平面，并且在本文中也可以称为加热器线或加热线的加热器走线2402的另一侧连接到加热器总线2406而不是总线平面。在一个实施例中，该加热器总线2406和加热器走线2402使用相同的加热器金属层构建。在一个实施例中，加热器总线2406沿着RF天线段的边缘布置，并且加热器走线2402沿着例如上面(或在专利号为9，905，921的美国专利中)描述的RF天线元件布置所限定的环布置。在一个实施例中，这些环的长度随着半径的增加而增加。为了保持共同的加热器走线长度、宽度和产热密度，可以连接较短的走线，并且可以将较长的走线分段，如图24所示。在一个实施例中，加热走线从加热器总线所在的RF天线段的边缘开始，但它们可以在有源区域中的任何地方终止于终止点2408并使用通孔结构连接到虹膜金属2404，只要它们不穿过虹膜开口。如图所示，加热器走线中的一个朝天线段左侧的加热器总线2406做弧线运动，然后再做弧线运动回来并终止于终止点。注意，在一个实施例中，在这种情况下，加热器走线在RF天线元件的环之间布线，使得在同一加热器走线的两个部分内存在天线元件2410。因此，虹膜金属层用于加热器总线平面中的一个，另一个加热器总线是围绕孔段外围的框架，并且加热器走线的一端连接到虹膜金属层，而另一端连接到加热器总线。
注意，在一个实施例中，加热器总线和加热器走线与RF天线元件至少保持禁止距离。
在一个实施例中，每个终止点(在图24中用圆圈表示)处存在用于使加热器走线与虹膜金属层接触的通孔。
图25A和图25B分别示出虹膜金属2404下方(左)和虹膜金属2404上方(右)的加热器走线2502和2504。在各个实施例中，加热器走线2502连同加热器总线(未示出)一起布置在如图25A所示的虹膜金属2404下方，或者加热器走线2504连同加热器总线(未示出)一起布置在如图25B所示的虹膜金属2404上方。在一个实施例中，如果虹膜金属2404上的极性由于RF天线元件驱动方案而周期性地切换，则通过极性切换波形驱动加热器结构以在加热器走线上保持恒定的电压。
在另一个实施例中，通过在虹膜玻璃2304上添加虹膜金属2404之外的另一金属层来实现加热器。加热器总线平面形成在该另外的金属层上，并且另外的金属层上的加热器总线平面覆盖与虹膜金属层类似的区域，同时与虹膜槽保持禁止距离。该另外的金属层和加热器走线可以在虹膜金属上方、在虹膜金属下方或像三明治结构一样在虹膜金属的相对侧上。
将间隔件用作加热器
图26示出间隔件/加热器结构2606的横截面图。在一个实施例中，RF天线段由间隔件/加热器结构2606所隔开的两个玻璃层基板制成，并且该间隔件/加热器结构2606使用导电材料形成并且在不同设计中用作用于将具有相关结构的贴片玻璃2604和具有相关结构的虹膜玻璃2304间隔开的间隔件和加热器。在一个实施例中，虹膜玻璃2304基板中的虹膜金属2404和贴片玻璃2604基板上的贴片金属2602用作加热器总线结构。在另一个实施例中，仅在间隔件/加热器结构2606中产热。在一个实施例中，RF天线元件中使用的虹膜金属层在此也用作加热器总线平面。使用贴片金属层形成的加热器总线独立于虹膜开口上方的贴片电极。因此，虹膜金属平面中有一个总线平面，并且贴片玻璃基板上有另一个总线平面，这两个平面使用为RF天线元件提供热量的间隔件耦合在一起。
贴片金属层上的加热器总线可以以不同的方式构建。在一个实施例中，贴片金属2602层上的加热器总线包括使用贴片金属层或与虹膜玻璃2304基板上的虹膜金属层类似的连续贴片金属层片的构建的具有低电阻的走线。在这两种情况下，贴片玻璃2604上的总线结构与在RF天线元件结构中使用的虹膜开口上方的贴片电极隔离。加热器结构的横截面图如图26所示。
虽然在图26中仅示出一个间隔件/加热器结构，但是在一个实施例中，有一个或多个间隔件/加热器结构位于RF天线元件阵列中的每个RF天线元件附近并向其提供热量。这些间隔件/加热器结构可以位于多个位置(例如，随机的非干涉位置、行、列等)，并且可以具有各种形状(例如，圆柱形柱、矩形柱、其他形状的物体等)。
在一个实施例中，间隔件/加热器结构2606由单一导电材料制成。这种材料可以在制造期间沉积。在另一个实施例中，间隔件/加热器结构2606包括内核，该内核具有用于向一个或多个RF天线元件提供热量的围绕外部的导电材料(例如，镀在内核的外部)并。
在一个实施例中，如果加热器在切换电压下操作并且虹膜金属层上的电压由于RF天线元件驱动方案而切换，则需要通过切换波形驱动加热器结构的贴片侧以在每T秒切换差分电压的极性时在加热器走线上保持恒定的绝对差分电压。这可以以与上面提供的关于极性切换波形的描述类似的方式发生。这一方面是LC两端的电压具有最小的直流偏移。例如，在这种情况下，贴片金属结构不会参与元件的RF驱动，而虹膜侧会参与。即便如此，优选地，使仍布线的净DC最小化以最小化LC两端的净DC。在另一个实施例中，使用每个基板上的另外的金属层或片层而不使用虹膜和/或贴片金属层来实现加热器。
分段的加热器总线
图27示出可选的加热器设计加热器束和加热器总线段。参照图27，通过将具有与加热器束相似长度的加热器环的加热器走线2704分组来实现均匀加热。加热器束串联耦合，相同的电流流过每个束，从而在每单位长度上产生相同的热量。在一个实施例中，具有相似长度的加热器走线2704通过加热器总线段2702和加热器总线2706并联连接以形成加热器束。加热器束通过加热器总线段2702和加热器总线2706串联连接以实现如图27所示的虹膜加热器，在一个实施例中，加热器总线段2702和加热器总线2706在同一金属层上。在另一个实施例中，加热器束、加热器总线段和加热器总线位于不同的金属层上。
图28示出图27所示的分段加热器总线实施例的电阻模型。参照图28，作为示例示出3个加热器环的分组，但该设计不受加热器环分组数量的限制。在图28中，每个束被表示为电阻器2802。加热器总线和分段总线的电阻可以忽略不计。在一个实施例中，相同的电流通过图28中的每个电阻器2802。在每束中设计了电阻值，以保持每单位面积有恒定的产热。在一个实施例中，在每一束内，通过改变走线宽度来匹配加热器走线的电阻。
本文描述了许多示例实施例。
示例1是天线，包括：物理天线孔，该物理天线孔具有由贴片基板和虹膜基板形成的射频(RF)天线元件阵列，虹膜基板具有包括虹膜金属层的多个层；以及加热器结构，耦合到虹膜基板的多个层中的一个或多个以加热RF天线元件。
示例2是示例1的天线，其可以可选地包括加热器结构，该加热器结构包括虹膜基板上的电阻式加热器。
示例3是示例2的天线，其可以可选地包括加热器结构，该加热器结构包括虹膜基板上的作为多个加热器总线平面操作的两个金属层。
示例4是示例3的天线，其可以可选地包括多个加热器总线平面，多个加热器总线平面包括第一加热器总线平面和第二加热器总线平面，其中虹膜金属层用作第一加热器总线平面并且加热器总线金属用作第二加热器总线平面。
示例5是示例4的天线，其可以可选地包括耦合在加热器总线金属和虹膜金属层之间的多个加热器走线。
示例6是示例5的天线，其可以可选地包括多个加热器走线，多个加热器走线距虹膜开口至少第一距离并且在虹膜开口周围的加热器禁止区域之外。
示例7是示例2的天线，其可以可选地包括加热器结构，该加热器结构包括虹膜基板上的作为多个加热器总线平面操作的两个金属层，其中虹膜金属层用作第一加热器总线平面，第二加热器总线平面围绕孔的一段的外边缘延伸，其中加热器走线连接到第二加热器总线平面。
示例8是示例7的天线，其可以可选地包括具有相同的长度的加热器走线。
示例9是示例1的天线，其可以可选地包括通过极性切换波形驱动的加热器结构。
示例10是示例1的天线，其可以可选地包括加热器结构，加热器结构包括分隔两个基板并耦合到虹膜金属层和贴片基板的间隔件结构，该间隔件结构包括用作加热器的导电材料。
示例11是示例1的天线，其可以可选地包括加热器结构，加热器结构包括形成多个加热器走线的多个加热器束的多个加热器环，其中多个加热器束中的束彼此串联连接。
实施例12是超材料天线，包括：第一基板，具有虹膜金属层，该虹膜金属层具有多个虹膜开口；第二基板，具有形成与虹膜开口对准的贴片的贴片金属层；以及加热器结构，附接到第一基板以加热射频(RF)天线元件。
示例132是示例12的天线，其可以可选地包括包含电阻式加热器的加热器结构。
示例14是示例12的天线，其可以可选地包括附接到第一基板的加热器结构，该加热器结构包括间隔件/加热器结构，间隔件/加热器结构附接到第一基板上的第一结构并附接到第二基板上的第二结构以将第一基板与第二基板和与虹膜开口对准的贴片间隔开并对RF天线元件进行加热。
示例15是示例14的天线，其可以可选地包括第一结构和第二结构，第一结构和第二结构是加热器总线平面结构。
示例16是示例12的天线，其可以可选地包括加热器结构，加热器结构包括：加热器总线，由第一基板上的第一金属层形成；以及多个加热器走线，由第一基板上的第二金属层形成并连接到加热器总线、第一金属层和不同于虹膜金属层的第二金属层。
示例17是示例12的天线，其可以可选地包括加热器结构，加热器结构包括在虹膜金属层下方的第一基板上的并通过钝化层与虹膜金属层隔开的多个加热器走线。
示例18是示例12的天线，其可以可选地包括加热器结构，加热器结构包括在虹膜金属层上方的第一基板上的并通过钝化层与虹膜金属层隔开的多个加热器走线。
示例19是示例12的天线，其可以可选地包括加热器结构，加热器结构包括在第一基板上的多个加热器走线，每个加热器走线在第一端连接到加热器总线并且在第二端连接到虹膜金属层。
示例20是示例12的天线，其可以可选地包括加热器结构，加热器结构包括在第一基板上的多个加热器束，每个加热器束包括多个加热器走线；每个加热器束在第一端连接到加热器总线段；并且每个加热器束在第二端连接到另一个加热器总线段或加热器总线。
示例21是示例12的天线，其可以可选地包括加热器结构，加热器结构包括在第一基板上串联连接的多个加热器束，每个加热器束具有多个加热器走线；并且每个加热器束具有保持每单位面积产热恒定的电阻。
示例22是示例12的天线，其可以可选地包括加热器结构，加热器结构包括在第一基板上的多个加热器束，每个加热器束具有多个加热器走线；并且每个加热器束中的每个加热器走线具有与加热器走线的电阻匹配的走线宽度。
以上详细描述的某些部分是根据对计算机存储器内数据位的操作的算法和符号表示来呈现的。这些算法描述和表示是数据处理领域的技术人员用来最有效地将他们的操作内容传达给本领域的其他技术人员的手段。算法在此处并且通常被认为是产生期望结果的自相一致的步骤序列。这些步骤是需要对物理量进行物理操纵的步骤。通常，尽管不是必须的，但是这些量采用能够被存储、传输、组合、比较以及其他方式操纵的电或磁信号的形式。有时，主要出于常用的原因，将这些信号称为位、值、元素、符号、字符、术语、数字等，这已被证明是方便的。
然而，应该记住，所有这些和类似的术语将与适当的物理量相关联，并且只是应用于这些量的方便的标签。除非从以下讨论中另外明确说明，否则应理解，在整个说明书中，利用诸如“处理”或“计算”或“推算”或“确定”或“显示”等的术语进行的讨论是指计算机系统或类似电子计算装置的动作和过程，计算机系统或类似电子计算装置将表示为计算机系统寄存器和存储器内的物理(电子)量的数据操纵和转换为类似地被表示为计算机系统存储器或寄存器或其他这类信息存储、传输或显示装置内的物理量的其他数据。
本发明还涉及用于执行本文的操作的设备。该设备可以为所需目的专门构造，或者它可以包括存储在计算机中的计算机程序选择性地激活或重新配置的通用计算机。这种计算机程序可以存储在计算机可读存储介质中，例如但不限于包括软盘、光盘、CD-ROM和磁光盘、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、EPROM、EEPROM、磁卡或光卡的任何类型的磁盘，或存储在任何类型的适合存储电子指令的介质中，并且每种计算机可读存储介质耦合到计算机系统总线。
本文提出的算法和显示与任何特定的计算机或其他设备没有内在的关系。各种通用系统可以与根据本文的教导与程序一起使用，或者可以证明构造更专业的设备来执行所需的方法步骤是方便的。各种这些系统所需的结构将在以下的描述中显而易见。另外，本发明没有参考任何特定的编程语言来描述。应当理解，可以使用多种编程语言来实施如本文描述的本发明的教导。
机器可读介质包括用于以机器(例如，计算机)可读形式存储或传输信息的任何机制。例如，机器可读介质包括只读存储器(“ROM”)、随机存取存储器(“RAM”)、磁盘存储介质、光存储介质、闪存装置等。
尽管对于本领域的普通技术人员，在阅读了上述描述之后，本发明的许多改变和修改无疑将变得显而易见，但应理解，以说明方式示出和描述的任何特定实施例绝不是旨在被认为是限制性的。因此，对各个实施例的细节的引用并不旨在限制本身仅列举了那些被认为对本发明必不可少的特征的权利要求的范围。

Claims (22)

1.一种天线，包括：
物理天线孔，具有形成有贴片和虹膜基板的射频天线元件的阵列即RF天线元件的阵列，所述虹膜基板具有多个层，所述多个层包括虹膜金属层；以及
加热器结构，耦合到所述虹膜基板的所述多个层中的一个或多个，以对所述RF天线元件进行加热。
2.根据权利要求1所述的天线，其中所述加热器结构包括所述虹膜基板上的电阻式加热器。
3.根据权利要求2所述的天线，其中所述加热器结构包括所述虹膜基板上的作为多个加热器总线平面操作的两个金属层。
4.根据权利要求3所述的天线，其中所述多个加热器总线平面包括第一加热器总线平面和第二加热器总线平面，其中所述虹膜金属层用作所述第一加热器总线平面并且加热器总线金属用作所述第二加热器总线平面。
5.根据权利要求4所述的天线，进一步包括耦合在所述加热器总线金属和所述虹膜金属层之间的多个加热器走线。
6.根据权利要求5所述的天线，其中所述多个加热器走线距虹膜开口至少第一距离并且在所述虹膜开口周围的加热器禁止区域之外。
7.根据权利要求2所述的天线，其中所述加热器结构包括所述虹膜基板上的作为多个加热器总线平面操作的两个金属层，其中所述虹膜金属层用作第一加热器总线平面并且第二加热器总线平面围绕孔的一段的外边缘延伸，其中所述加热器走线连接到所述第二加热器总线平面。
8.根据权利要求7所述的天线，其中所述加热器走线具有相同的长度。
9.根据权利要求1所述的天线，其中所述加热器结构通过极性切换波形驱动。
10.根据权利要求1所述的天线，其中所述加热器结构包括分隔两个基板并联接到所述虹膜金属层和贴片基板的间隔件结构，所述间隔件结构包括用作加热器的导电材料。
11.根据权利要求1所述的天线，其中所述加热器结构包括形成多个加热器走线的多个加热器束的多个加热器环，其中所述多个加热器束中的束彼此串联连接。
12.一种超材料天线，包括：
第一基板，具有包括多个虹膜开口的虹膜金属层；
第二基板，具有形成与所述虹膜开口对准的贴片的贴片金属层；以及
加热器结构，附接到所述第一基板以对射频天线元件即RF天线元件进行加热。
13.根据权利要求12所述的超材料天线，其中所述加热器结构包括电阻式加热器。
14.根据权利要求12所述的超材料天线，其中附接到所述第一基板的所述加热器结构包括：
间隔件/加热器结构，所述间隔件/加热器结构附接到所述第一基板上的第一结构并附接到所述第二基板上的第二结构以将所述第一基板和具有与所述虹膜开口对准的贴片的所述第二基板间隔开并对所述RF天线元件进行加热。
15.根据权利要求14所述的超材料天线，其中所述第一结构和所述第二结构是加热器总线平面结构。
16.根据权利要求12所述的超材料天线，其中所述加热器结构包括：
加热器总线，由所述第一基板上的第一金属层形成；以及
多个加热器走线，由所述第一基板上的第二金属层形成并连接到所述加热器总线、第一金属层和不同于所述虹膜金属层的第二金属层。
17.根据权利要求12所述的超材料天线，其中所述加热器结构包括在所述虹膜金属层下方的所述第一基板上并通过钝化层与所述虹膜金属层隔开的多个加热器走线。
18.根据权利要求12所述的超材料天线，其中所述加热器结构包括在所述虹膜金属层上方的所述第一基板上并通过钝化层与所述虹膜金属层隔开的多个加热器走线。
19.根据权利要求12所述的超材料天线，其中所述加热器结构包括所述第一基板上的多个加热器走线，每个加热器走线在第一端连接到加热器总线并且在第二端连接到所述虹膜金属层。
20.根据权利要求12所述的超材料天线，其中：
所述加热器结构包括所述第一基板上的多个加热器束，每个加热器束包括多个加热器走线；
每个加热器束在第一端连接到加热器总线段；并且
每个加热器束在第二端连接到其他加热器总线段或加热器总线。
21.根据权利要求12所述的超材料天线，其中：
所述加热器结构包括在所述第一基板上串联连接的多个加热器束，每个加热器束包括多个加热器走线；并且
每个加热器束具有保持每单位面积产热恒定的电阻。
22.根据权利要求12所述的超材料天线，其中：
所述加热器结构包括在所述第一基板上的多个加热器束，每个加热器束具有多个加热器走线；并且
每个加热器束中的每个加热器走线具有与加热器走线的电阻匹配的走线宽度。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6335622B1 (en) 1992-08-25 2002-01-01 Superconductor Technologies, Inc. Superconducting control elements for RF antennas
US20020014992A1 (en) 2000-02-11 2002-02-07 Sun Liang Q. Reconfigurable aperture antenna using shape memory material
US8481898B2 (en) 2010-06-04 2013-07-09 Robert Parker Self regulating electric heaters
US9385435B2 (en) 2013-03-15 2016-07-05 The Invention Science Fund I, Llc Surface scattering antenna improvements
US11109451B2 (en) * 2016-07-20 2021-08-31 Kymeta Corporation Internal heater for RF apertures
CN109643848B (zh) * 2016-08-12 2021-04-13 夏普株式会社 扫描天线
US11264691B2 (en) * 2019-07-15 2022-03-01 Kymeta Corporation Ground plane heater

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